Астрономы впервые обнаружили за пределами Млечного Пути звёздный поток, образовавшийся из шарового звёздного скопления. Тонкая вытянутая полоса звёзд находится в карликовой ультрадиффузной галактике UGC 9050-Dw1, расположенной примерно в 115 миллионах световых лет от Земли.
Подобные структуры хорошо известны в нашей Галактике. Они возникают, когда гравитация галактики постепенно вытягивает звёзды из шарового скопления, превращая компактную группу светил в длинный поток. Однако до сих пор такие потоки, происходящие именно из шаровых скоплений, удавалось наблюдать только в Млечном Пути.
Новая находка важна не только как редкий пример необычной звёздной структуры. Движение звёздного потока зависит от гравитационного поля галактики, в которой он находится. Поэтому его форма и динамика позволяют оценить распределение невидимой массы. В случае UGC 9050-Dw1 исследователи впервые использовали такой поток для ограничения массы и структуры тёмного вещества в ультрадиффузной галактике за пределами Млечного Пути.
Что такое звёздный поток
Звёздный поток представляет собой вытянутую структуру из звёзд, которые когда-то принадлежали одному компактному объекту.
Гравитация галактики действует на шаровое скопление не одинаково на всём его протяжении. Постепенно часть звёзд оказывается достаточно сильно притянута галактическим гравитационным полем и покидает скопление. Освободившиеся звёзды не разлетаются в случайных направлениях. Они продолжают двигаться примерно по той же орбите, по которой перемещалось исходное скопление.
В результате вокруг бывшего скопления формируются длинные тонкие «хвосты». Со временем поток может становиться всё длиннее, поскольку новые звёзды продолжают покидать исходную систему.
Такие структуры называют приливными звёздными потоками. Они могут сохраняться в течение миллиардов лет и служить своеобразной записью того, как объект двигался внутри галактики.
Именно это делает их интересными для астрономов. Форма потока зависит не только от свойств самих звёзд, но и от гравитационного поля галактики.
Почему открытие за пределами Млечного Пути стало событием
Внутри Млечного Пути звёздные потоки уже давно используются для изучения структуры нашей Галактики.
Астрономы могут наблюдать отдельные звёзды потока, измерять их положение и движение, а затем сравнивать полученные данные с моделями галактического гравитационного поля. Особенно полезны потоки, образовавшиеся из шаровых скоплений: они относительно компактны и обладают достаточно хорошо определяемой общей динамической историей.
Но перенести этот метод на другие галактики значительно сложнее.
Даже ближайшие галактики находятся на огромных расстояниях. Отдельные звёзды там в большинстве случаев невозможно различить с той же точностью, что в Млечном Пути. А звёздный поток сам по себе является очень слабой структурой: его поверхностная яркость мала, поскольку звёзды распределены на большой площади.
До новой находки астрономам не удавалось надёжно обнаружить поток, связанный с шаровым скоплением, в другой галактике. Теперь такой объект найден в UGC 9050-Dw1.
Где находится UGC 9050-Dw1
Объект, в котором обнаружили поток, — ультрадиффузная галактика UGC 9050-Dw1.
Ультрадиффузные галактики отличаются очень низкой поверхностной яркостью. Они могут иметь размеры, сопоставимые с гораздо более массивными галактиками, но при этом содержать значительно меньше звёзд.
Именно необычная разреженность UGC 9050-Dw1 в данном случае сыграла важную роль.
Поток сам по себе чрезвычайно слабый. В обычной яркой галактике его было бы гораздо труднее выделить на фоне огромного количества других звёзд и структур. В UGC 9050-Dw1 фон оказался достаточно слабым, чтобы тонкая звёздная полоса стала различимой на глубоких изображениях космического телескопа Hubble.
Галактика находится примерно в 115 миллионах световых лет от Земли. Это означает, что мы наблюдаем её такой, какой она была примерно 115 миллионов лет назад: именно столько времени свет от неё распространялся до нашей планеты.
Как выглядит найденный поток
На изображениях поток выглядит как очень тонкая и изогнутая полоса звёзд, вытянутая от компактного источника.
Его структура соответствует картине, которую астрономы ожидают увидеть при разрушении шарового скопления приливными силами галактики.
Исследователи обнаружили компактный источник, связанный с потоком, а его морфология и цвет соответствуют интерпретации, согласно которой первоначальным объектом было шаровое скопление. Компьютерное моделирование звёздных популяций также позволило воспроизвести наблюдаемую поверхностную яркость потока.
Таким образом, вывод о происхождении структуры основан не только на её внешнем виде. Учёные сравнили наблюдаемую форму, цвет и яркость с моделями, описывающими разрушение шарового скопления.
Что происходит с шаровым скоплением
Шаровые скопления представляют собой плотные системы, содержащие большое количество звёзд, связанных взаимной гравитацией.
Они существенно компактнее окружающего звёздного поля. Однако даже такое плотное скопление не является полностью изолированной системой.
Если оно движется по орбите вокруг галактики, на него действует гравитация всей галактики. Разница в гравитационном воздействии на разные части скопления создаёт приливные силы.
Со временем они могут вытягивать внешние звёзды из скопления.
Звезда, покинувшая скопление, при этом не обязательно сразу становится независимым объектом, движущимся по совершенно другой траектории. Она продолжает следовать близкой орбитой вокруг центра галактики. Поэтому множество таких звёзд постепенно выстраивается вдоль орбиты исходного скопления.
Получается длинная цепочка, которая может намного превосходить по размеру первоначальный объект.
Почему форма потока связана с тёмной материей
Тёмная материя не излучает и не отражает свет так, чтобы её можно было непосредственно увидеть обычными астрономическими методами. Её существование выводят прежде всего по гравитационному воздействию на видимое вещество и движение космических объектов.
В галактике видимые звёзды и газ составляют только часть общей массы. Значительная доля массы приходится на невидимый компонент, который принято называть тёмной материей.
Именно она формирует большую часть гравитационного поля галактического гало.
Если звёздный поток движется внутри такого поля, его траектория зависит от распределения массы вокруг него. Поэтому форма потока может служить индикатором гравитационной структуры галактики.
Условно это можно представить как движение объекта по рельефу, который невозможно увидеть напрямую. По самой траектории движения можно сделать выводы о форме этого невидимого рельефа.
В случае звёздного потока роль такого «рельефа» играет гравитационное поле галактики.
Поток становится своеобразным гравитационным зондом
Главное преимущество звёздного потока заключается в том, что его звёзды движутся согласованно.
Если бы астрономы просто измеряли движение отдельных звёзд, интерпретировать результаты было бы значительно сложнее. У каждой звезды могла бы быть собственная история.
У потока есть общий источник и общая динамическая история. Зная предполагаемое происхождение объекта, можно моделировать, как он должен выглядеть в разных гравитационных полях.
Затем результат моделирования сравнивается с реальным изображением.
Если определённая модель галактики воспроизводит наблюдаемую форму потока, она становится кандидатом на описание реального распределения массы. Если нет, параметры модели необходимо изменять.
Именно такой подход исследователи применили к UGC 9050-Dw1. Они использовали моделирование звёздного потока непосредственно по его форме, чтобы получить ограничения на свойства тёмного гало галактики.
Что удалось узнать о тёмном гало UGC 9050-Dw1
Моделирование указывает на массивное тёмное гало, окружающее галактику.
Исследователи получили первое ограничение на массу тёмного гало и его профиль плотности, основанное именно на наблюдении звёздного потока в ультрадиффузной галактике.
Результаты указывают, что распределение тёмной материи в UGC 9050-Dw1 несколько менее «сглаженное» в центральной области, чем у некоторых других исследованных ультрадиффузных галактик. Полученный показатель наклона профиля плотности оказался около 0,2, хотя модель допускает и более крутые внутренние профили, сопоставимые с некоторыми ранее изученными ультрадиффузными галактиками.
Это не означает, что астрономы определили точную структуру тёмной материи во всей галактике. Речь идёт об ограничениях, полученных из конкретного наблюдаемого потока и используемой модели.
Но сам факт того, что такой метод удалось применить к галактике за пределами Млечного Пути, имеет большое значение.
Почему ультрадиффузные галактики особенно интересны
Ультрадиффузные галактики долгое время остаются одной из интересных проблем галактической астрономии.
Они имеют очень низкую поверхностную яркость, но при этом могут обладать значительными размерами. Соотношение между количеством видимого вещества и предполагаемой общей массой у таких объектов может сильно отличаться от привычного для обычных галактик.
Особенно активно обсуждается вопрос о распределении тёмной материи в их центральных областях.
В некоторых моделях плотность тёмной материи в центре должна быть высокой и постепенно уменьшаться с расстоянием. Другие наблюдения ультрадиффузных галактик указывают на более пологие распределения.
Разобраться в этом вопросе сложно, поскольку прямого наблюдения тёмной материи нет. Поэтому астрономы используют разные косвенные методы.
Звёздный поток добавляет к ним новый инструмент.
Почему раньше использовали в основном Млечный Путь
Наша Галактика предоставляет уникальную возможность изучать звёздные потоки.
Мы находимся внутри Млечного Пути, поэтому многие потоки относительно близки к нам. Современные астрометрические данные позволяют измерять положения и собственные движения огромного количества звёзд.
Особенно важную роль здесь играет космический телескоп Gaia, который создаёт подробную карту положения и движения звёзд Млечного Пути.
Благодаря таким данным в нашей Галактике были обнаружены многочисленные звёздные потоки. Они стали инструментом для изучения массы и структуры галактического гало, а также для поиска возможных неоднородностей в распределении тёмной материи.
Но этот метод долгое время имел серьёзное ограничение: его было трудно перенести на другие галактики.
Теперь появился первый наблюдательный пример, показывающий, что аналогичный подход возможен и за пределами Млечного Пути.
Потоки могут сохранять историю галактики
Звёздный поток интересен не только как инструмент изучения тёмной материи.
Он также хранит информацию о прошлом своей родительской галактики.
Положение потока и его форма зависят от орбиты исходного скопления. Если галактика менялась, сталкивалась с другими объектами или имела неоднородное гравитационное поле, эти процессы могли оставить следы в движении звёзд.
Поэтому потоки называют динамическими структурами, сохраняющими информацию об эволюции галактики.
В отличие от обычного компактного скопления, которое может выглядеть просто как группа звёзд, поток фактически показывает траекторию движения системы во времени.
Это делает его своеобразной «летописью» гравитационного взаимодействия.
Почему обнаружить такой поток очень трудно
Главная проблема — низкая яркость.
Звёзды потока распределены на большой площади. Поэтому даже если в нём находится значительное количество светил, суммарный свет на единицу площади остаётся очень слабым.
На расстоянии около 115 миллионов световых лет ситуация становится ещё сложнее.
Для обнаружения такой структуры потребовались глубокие изображения космического телескопа Hubble. Исследователи использовали архивные наблюдения, то есть открытие было сделано при повторном анализе уже полученных данных.
Это особенно показательно: объект уже находился в архиве наблюдений, но его необычная структура была выявлена только благодаря целенаправленному анализу.
Hubble оказался способен увидеть то, что раньше было недоступно
Космический телескоп Hubble работает на орбите Земли с 1990 года и накопил огромный архив изображений.
Для поиска слабых структур архивные данные могут иметь не меньшую ценность, чем новые наблюдения. Если изображения достаточно глубокие и имеют необходимое разрешение, исследователи могут искать в них объекты, которые первоначально не являлись главной целью наблюдений.
Именно так был обнаружен поток в UGC 9050-Dw1.
Научная работа показывает, что уже накопленные наблюдения способны давать новые результаты спустя годы после их получения. При этом появление новых методов обработки данных повышает вероятность обнаружения ранее незамеченных структур.
Почему открытие не означает, что потоков раньше вообще не видели
За пределами Млечного Пути астрономы наблюдали другие протяжённые звёздные структуры, в том числе потоки и оболочки, связанные с взаимодействиями галактик.
Новизна нынешнего результата заключается в другом.
Впервые за пределами нашей Галактики обнаружено убедительное свидетельство именно звёздного потока, происходящего из шарового скопления.
Это важное уточнение.
Галактики могут взаимодействовать и разрушать карликовые галактики, оставляя после них длинные звёздные структуры. Такие потоки известны в других галактиках.
Но поток от компактного шарового скопления значительно тоньше и слабее. Именно поэтому его обнаружение на таком расстоянии стало отдельным наблюдательным достижением.
Что означает «первый»
Формулировку «первый за пределами Млечного Пути» следует понимать в контексте определённого класса объектов.
Исследователи называют найденную структуру первым обнаруженным внегалактическим звёздным потоком, происходящим из шарового скопления.
Это не первый вообще звёздный поток, найденный за пределами Млечного Пути.
Различие важно для точного понимания результата: речь идёт о конкретном происхождении потока и о возможности использовать именно такие структуры для измерения тёмного гало внешних галактик.
Как исследователи проверили происхождение потока
Одной фотографии недостаточно, чтобы с уверенностью утверждать, что наблюдаемая полоса действительно возникла из шарового скопления.
Исследователи использовали несколько признаков.
Во-первых, учитывалась морфология потока — его форма и структура.
Во-вторых, анализировался цвет.
В-третьих, рядом с потоком обнаружен компактный источник, который может быть остатком или самим объектом-прародителем.
Кроме того, учёные провели моделирование популяций звёзд шарового скопления и проверили, может ли такая система воспроизвести наблюдаемую поверхностную яркость потока.
Результаты поддержали интерпретацию, согласно которой поток возник из шарового скопления.
Звёзды потока движутся почти по одной орбите
Физическая причина пригодности потока для изучения гравитации заключается в его движении.
После того как звезда покидает шаровое скопление, она сохраняет динамическую связь с исходной орбитой. Поэтому большое количество таких звёзд движется по близким траекториям.
Если гравитационное поле галактики изменить в модели, изменится и рассчитанная форма потока.
Таким образом, наблюдаемая структура становится ограничением для гравитационной модели.
Если модель предсказывает поток, сильно отличающийся от реального изображения, параметры гало необходимо изменить.
Этот принцип уже применялся для потоков в Млечном Пути. Новая работа показывает, что его можно использовать для внешней галактики.
Почему особенно важно получить независимый способ измерения тёмной материи
Количество тёмной материи нельзя определить прямым взвешиванием.
Астрономы оценивают её свойства по гравитационным эффектам.
Для этого применяются разные методы: исследование вращения галактик, движения звёзд и спутниковых галактик, гравитационного линзирования и другие подходы.
Каждый метод имеет свои ограничения.
Поэтому независимый способ проверки результатов особенно важен. Если разные методы дают согласующиеся оценки, уверенность в полученной картине возрастает.
В случае UGC 9050-Dw1 результаты моделирования потока согласуются с предыдущими исследованиями свойств тёмной материи этой галактики. При этом новая методика использует совершенно другой наблюдаемый объект — звёздный поток.
Тёмную материю по-прежнему не увидели напрямую
Важно не преувеличивать результат.
Исследователи не сфотографировали тёмную материю и не обнаружили её частицы.
Тёмная материя остаётся невидимой непосредственно. Новый метод позволяет оценить её распределение по тому, как её гравитация влияет на видимые звёзды.
Это принципиально косвенное измерение.
Звёздный поток является видимым, его форма может быть измерена, а гравитационное поле, необходимое для объяснения этой формы, содержит информацию о полной массе галактики.
Если видимой материи недостаточно для объяснения наблюдаемой динамики, оставшаяся масса относится к невидимому компоненту, который и связывают с тёмной материей.
Что можно узнать о форме тёмного гало
Одним из преимуществ метода является возможность изучать не только общую массу галактики, но и распределение массы.
Тёмное гало не обязательно имеет одинаковую плотность во всех областях. В центральной части галактики она может быть выше, а по мере удаления от центра — снижаться.
Характер этого изменения называют профилем плотности.
Именно профиль имеет большое значение для проверки различных моделей формирования галактик и природы тёмной материи.
В случае UGC 9050-Dw1 моделирование потока позволило получить первое основанное на таком методе ограничение профиля плотности тёмного гало ультрадиффузной галактики.
Почему одного объекта недостаточно для окончательного вывода
Несмотря на важность открытия, одна галактика не позволяет решить проблему тёмной материи.
UGC 9050-Dw1 — единственный объект, для которого на данный момент получен такой внегалактический поток от шарового скопления.
Любая модель, основанная на одном примере, должна пройти проверку на других системах.
Если в будущем будут обнаружены аналогичные потоки в других ультрадиффузных галактиках и обычных галактиках, астрономы смогут сравнить их свойства.
Тогда станет возможным определить, насколько типичны результаты UGC 9050-Dw1 и насколько разнообразно распределение тёмной материи в галактиках разных типов.
Следующие телескопы могут значительно расширить выборку
Главная перспектива связана с возможностью обнаруживать больше подобных слабых структур.
Для этого необходимы глубокие изображения с хорошим пространственным разрешением и достаточно большой площадью обзора.
Уже сейчас архив Hubble содержит большое количество наблюдений различных галактик. Новые методы анализа могут помочь обнаружить в них другие слабые потоки.
Но особенно большие возможности появятся с телескопами нового поколения.
Одним из наиболее перспективных инструментов станет космический телескоп Nancy Grace Roman Space Telescope. Его поле зрения будет примерно в 100 раз больше поля зрения Hubble, что позволит значительно быстрее обследовать большие участки неба с высоким качеством изображения.
Это повышает вероятность обнаружения новых слабых звёздных потоков вокруг далёких галактик.
Почему новые потоки помогут понять разнообразие галактик
Если будет обнаружено много потоков, астрономы смогут сравнивать их не только внутри одного типа галактик.
Можно будет исследовать, как свойства тёмных гало связаны с размером галактики, количеством звёзд, историей взаимодействий и другими характеристиками.
Особенно интересны ультрадиффузные галактики, поскольку их природа и содержание тёмной материи остаются предметом активного изучения.
Наблюдение звёздных потоков предоставляет новый способ проверить существующие оценки.
Если разные методы будут давать одинаковые результаты, это укрепит общую картину. Если же появятся существенные расхождения, они укажут на необходимость пересмотра моделей или на особенности конкретных галактик.
Поток может рассказать не только о тёмной материи
У звёздного потока есть ещё одна важная особенность: он является остатком реально существовавшей системы.
Поэтому его можно использовать для изучения истории шаровых скоплений.
Астрономы могут исследовать свойства звёзд, которые когда-то принадлежали одному объекту, а затем были постепенно отделены друг от друга.
Это позволяет изучать процессы разрушения звёздных скоплений и взаимодействия между компактными системами и галактическим гало.
Таким образом, один и тот же объект становится инструментом для нескольких областей астрономии — от эволюции звёздных систем до исследования невидимой массы.
Почему открытие важно для понимания Млечного Пути
Хотя новый поток находится в другой галактике, его изучение может помочь и в исследовании нашей собственной Галактики.
Млечный Путь — лишь один пример галактики, окружённой тёмным гало.
Если астрономы смогут измерять свойства тёмной материи в большом количестве внешних галактик с помощью одинакового метода, станет проще сравнивать их с Млечным Путём.
Это позволит понять, насколько типична наша Галактика.
Кроме того, сравнение потоков в разных системах поможет проверить, насколько универсальны модели движения звёздных скоплений и формирования галактических гало.
Важность открытия заключается в самом методе
Главный результат работы — не просто обнаружение необычной полосы звёзд.
Гораздо важнее то, что эта структура стала новым инструментом измерения свойств галактики, находящейся далеко за пределами Млечного Пути.
Раньше звёздные потоки из шаровых скоплений использовались для изучения тёмной материи в нашей Галактике. Теперь показано, что тот же принцип может работать для внешней галактики.
Это расширяет число объектов, которые можно использовать для космологических и галактических исследований.
Если в будущем будет найдено много таких потоков, они могут превратиться в целую систему независимых гравитационных зондов для изучения тёмной материи.
Что именно установили исследователи
Наблюдения показали тонкий звёздный поток в ультрадиффузной галактике UGC 9050-Dw1, находящейся примерно в 115 миллионах световых лет от Земли.
Морфология и цвет структуры, её связь с компактным источником и результаты моделирования поддерживают гипотезу о происхождении потока из шарового скопления. Это первый обнаруженный пример такого типа за пределами Млечного Пути.
Моделирование движения потока позволило получить ограничения на массу и профиль плотности тёмного гало UGC 9050-Dw1. Результат указывает на массивное гало и показывает, что распределение тёмной материи в центральной области галактики может быть несколько менее пологим, чем в некоторых других изученных ультрадиффузных галактиках.
При этом исследование не обнаружило саму тёмную материю и не определило её природу. Оно продемонстрировало новый способ изучать её распределение по гравитационному воздействию на видимые звёзды.
Новая «нить» для исследования невидимой Вселенной
Звёздный поток в UGC 9050-Dw1 выглядит на изображении как почти незаметная полоса света. Но именно его слабость и вытянутая форма делают объект научно ценным.
Когда-то эти звёзды находились в компактном шаровом скоплении. Гравитация галактики постепенно вытянула их вдоль орбиты, превратив исходное скопление в длинную звёздную структуру. Теперь эта структура позволяет восстановить информацию о гравитационном поле, которое невозможно увидеть непосредственно.
Так небольшой и чрезвычайно тусклый объект становится своеобразным зондом невидимой массы.
Открытие также показывает, что астрономам только предстоит исследовать всё разнообразие звёздных потоков за пределами Млечного Пути. Если будущие наблюдения обнаружат новые подобные структуры, они позволят сравнить распределение тёмной материи в разных галактиках и проверить, насколько хорошо современные модели описывают устройство галактических гало.
Работа с UGC 9050-Dw1 стала первым шагом в переносе проверенного на Млечном Пути метода на другие галактики. И именно это может оказаться наиболее важным результатом открытия: невидимую структуру далёкой галактики теперь можно исследовать по тонкому следу звёзд, оставленному разрушенным шаровым скоплением.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
